第十二章 DNA的生物合成

第十二章DNA的生物合成

本章重點介紹遺傳中心法則和DNA半保留復制方式，掌握復制的化學反應和復制方向，以及參與DNA復制的酶和蛋白質(zhì)因子，掌握DNA復制的基本過程。了解逆轉(zhuǎn)錄機逆轉(zhuǎn)錄酶，了解DNA突變及修復方式。思考

DNA是絕大多數(shù)生物體遺傳信息的載體，繼1953年Watson&Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型后，1958年，Crick提出了“中心法則”(Centraldogma)揭示了遺傳信息的傳遞規(guī)律。wehadfoundthesecretoflife遺傳信息傳遞的中心法則

蛋白質(zhì)逆轉(zhuǎn)錄翻譯轉(zhuǎn)錄復制復制DNARNA生物的遺傳信息以密碼的形式儲存在DNA分子上，表現(xiàn)為特定的核苷酸排列順序。在細胞分裂的過程中，通過DNA復制把親代細胞所含的遺傳信息忠實地傳遞給兩個子代細胞。在子代細胞的生長發(fā)育過程中，這些遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄傳遞給RNA，再由RNA通過翻譯轉(zhuǎn)變成相應的蛋白質(zhì)多肽鏈上的氨基酸排列順序，由蛋白質(zhì)執(zhí)行各種各樣的生物學功能，使后代表現(xiàn)出與親代相似的遺傳特征。后來人們又發(fā)現(xiàn)，在宿主細胞中一些RNA病毒能以自己的RNA為模板復制出新的病毒RNA，還有一些RNA病毒能以其RNA為模板合成DNA，稱為逆轉(zhuǎn)錄，這是中心法則的補充。

中心法則總結(jié)了生物體內(nèi)遺傳信息的流動規(guī)律，揭示遺傳的分子基礎，不僅使人們對細胞的生長、發(fā)育、遺傳、變異等生命現(xiàn)象有了更深刻的認識，而且以這方面的理論和技術為基礎發(fā)展了基因工程，給人類的生產(chǎn)和生活帶來了深刻的革命。？目錄第一節(jié)半保留復制第二節(jié)

DNA的生物合成第三節(jié)DNA的損傷與修復第四節(jié)DNA重組第一節(jié)半保留復制

（DNA指導下的DNA合成）

DNA在復制過程中首先是兩條鏈間的氫鍵斷裂，然后雙鏈解開。接著再以每一條鏈為模板，按照堿基互補配對原則（A:T,G:C）,由DNA聚合酶催化合成新的互補鏈。這樣新形成的兩個DNA分子與原來的DNA分子的堿基序列完全相同。每個子代DNA中的一條鏈來自親代DNA，另一條鏈則是新合成的，這種復制方式稱為半保留復制。DNA半保留復制的實驗依據(jù)

1958年Meselson&stahl用同位素示蹤標記/密度梯度離心技術實驗,證明了DNA是采取半保留的方式進行復制.第二節(jié)

DNA的生物合成DNA合成的通式及方向參與DNA復制的酶和蛋白因子原核生物DNA復制的過程真核生物DNA復制的過程逆轉(zhuǎn)錄作用（RNA指導下的DNA的合成）DNA合成的通式及方向

DNA合成是以4種dNTP(N=A,T,G,C)為底物，在DNA聚合酶的催化下，向DNA的3’-OH添加脫氧核苷酸使鏈延長的過程。原核生物參與DNA復制的酶和蛋白因子DNA聚合酶(DNApolymerases)DNA解旋酶(DNAhelicase)單鏈結(jié)合蛋白(single-strandbindingprotein,SSB)：結(jié)合在解開的DNA單鏈上，防止重新形成雙螺旋。拓撲異構(gòu)酶(topoisomerase):兼具內(nèi)切酶和連接酶活力，能迅速將DNA超螺旋或雙螺旋緊張狀態(tài)變成松馳狀態(tài)，便于解鏈。引物酶(primase)和引發(fā)體(primosome)：啟動RNA引物鏈的合成。DNA連接酶（DNAligase）大腸桿菌有三種DNA聚合酶分子量每個細胞的分子統(tǒng)計數(shù)5′-3′聚合酶作用3′-5′核酸外切酶作用5′-3′核酸外切酶作用聚合速度(核苷酸/分)持續(xù)合成能力主要功能PolⅠPolⅡPolⅢ109,000400+++1000-12003-200DNA修復RNA引物切除120,000100++-24001500DNA修復400,00010-20+++15000-60000≥500000DNA復制比較項目DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶ⅢDNApolymeraseI大片段(Klenowfragment)小片段5′-3′聚合酶作用3′-5′核酸外切酶作用5′-3′核酸外切酶作用DNApolymeraseIIIDNAhelicaseIfIwereanenzyme,IwouldbeDNAhelicase,

soIcouldunzipyourgenesSingle-strandedDNAbindingproteinfrom

M.tuberculosis,

M.lepraeandM.megmatis

SSBprimase

Aprimosomeisacomplexofsevenproteins:DnaG

primase,DnaB

helicase,DnaC

helicaseassistant,DnaT,PriA,PriB,andPriC.DNALigase

ligasefrommanybacteriahttp:///pdb/static.do?p=education_discussion/molecule_of_the_month/pdb55_1.html不能催化單鏈DNA連接必須具有粘性末端雙鏈DNA，而不是平齊末端羥基和磷酸基團必須相鄰topoisomerasecutsonestrandofaDNAdoublehelixandthenreannealsthecutstrand.cutsbothstrandsofoneDNAdoublehelix,passesanotherunbrokenDNAstrandthroughit,andthenreannealsthecutstrandTypeITypeII原核生物DNA復制的過程DNA復制的起點和方式DNA鏈的合成與延長終止復制的忠實性DNA復制的起點和方式未復制DNA復制叉的推進環(huán)狀

DNA復制時所形成的Q結(jié)構(gòu)起始點雙向復制GATCTNTTNTTT成串排列的三個13bp序列共有序列共有序列TTATCCACA

DnaA蛋白結(jié)合位點四個9bp序列DnaADnaB(解螺旋酶)SSBE.ColiDNA復制起點在起始階段的結(jié)構(gòu)模型DNA鏈的合成與延長復制叉的移動方向拓撲異構(gòu)酶DNA聚合酶III解鏈酶RNA引物引物酶DNA聚合酶ISSB3′3′5′前導鏈滯后鏈3′5′5′RNA引物3′3′終止Mg2+連接酶ATP或NAD＋PPi或NMNATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPPOHTGGATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPTGGP缺口(nick）3'3'5'5'5'5'3'3'模板鏈模板鏈PoliI切除RNA引物Ligase

連接DNA復制的忠實性

DNA復制過程是一個高度精確的過程，據(jù)估計，大腸桿菌DNA復制109-1010堿基對僅出現(xiàn)一個誤差，保證復制忠實性的原因主要有三點:a、DNA聚合酶的高度專一性（嚴格遵循堿基配對原則）b、DNA聚合酶的校對功能（錯配堿基被3’-5’

外切酶切除）c、起始時以RNA作為引物DNA聚合酶的校對功能聚合酶錯配堿基復制方向正確核苷酸5′5′5′3′3′3′切除錯配核苷酸DNA聚合酶的3-5

外切酶水解位點3′3′5′5′錯配堿基3′-5′核酸外切酶水解位點DNA聚合酶的5-3

外切酶水解位點真核細胞DNA復制的特點多個起點復制起點起點起點起點起點起點端粒（telemere）復制真核和原核DNA細胞復制比較端粒酶（telomerase）

DNA復制需要引物，但在線形DNA分子末端不可能通過正常的機制在引物被降解后合成相應的片段.如果沒有特殊的機制合成末端序列，染色體就會在細胞傳代中變得越來越短。這一難題是通過端粒酶的發(fā)現(xiàn)才得到了澄清，端粒酶是一種含RNA的蛋白復合物，實質(zhì)上是一種逆轉(zhuǎn)錄酶，它能催化互補于RNA模板的DNA片段的合成，使復制以后的線形DNA分子的末端保持不變。

初步研究表明，人體中生殖細胞的端粒長度保持不變，而體細胞的端粒長度則隨個體的老化而逐步縮短。對此的一個推論是：人的生殖細胞具端粒酶的活力，體細胞則否。這一問題的解決無疑會有助于對生命衰老的認識。5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCA端粒酶端粒合成的一種模型3′5′TTTTGGGGTTTTG5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCAAA3′5′TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCAAATTGGGTGGGT3′5′AATTTTG5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCAGTTTTG整合移位端粒合成的完成TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGTTTT5′3′nAA3′TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGT5′3′TTCCCCTnAA3′TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGT5′3′TTAAAACCCCAAAACCCCAAAACCCCTn進一步加工繼續(xù)延伸逆轉(zhuǎn)錄作用1、概念2、逆轉(zhuǎn)錄酶3、病毒逆轉(zhuǎn)錄過程4、逆轉(zhuǎn)錄的生物學意義擴充了中心法則有助于對病毒致癌機制的了解與真核細胞分裂和胚胎發(fā)育有關逆轉(zhuǎn)錄酶是分子生物學重要工具酶三種功能依賴DNA指導下的DNA聚合酶活力依賴RNA的DNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力以RNA為模板合成DNA，這與通常轉(zhuǎn)錄過程中遺傳信息從DNA到RNA的方向相反，故稱為逆轉(zhuǎn)錄作用。逆轉(zhuǎn)錄過程中cDNA的合成

依賴RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴DNA的DNA聚合酶逆逆轉(zhuǎn)錄病毒的生活周期

生活周期RNA衣殼被膜逆轉(zhuǎn)錄酶轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)譯整合入宿主細胞染色體DNA進入細胞丟失被膜丟失衣殼逆轉(zhuǎn)錄RNARNAcDNA衣殼蛋白被膜蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶

第三節(jié)DNA損傷與修復某些物理（紫外線、電離輻射）和化學或生物學因素的作用，或者由于生物體DNA復制過程出現(xiàn)異常均可引起DNA分子的損傷或改變。如果DNA損傷不能修復，對體細胞可能影響其功能或生存，對生殖細胞則可能影響到其后代。一、損傷類型

堿基對的置換(substitution)

移碼突變(framesshiftmutation)暗修復二、DNA修復類型（1）光裂合酶修復（2）切除修復（3）重組修復（4）誘導修復（SOS修復）-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-轉(zhuǎn)換A

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失T野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-顛換堿基對的置換(substitution)

-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入移碼突變(framesshiftmutation)DNA紫外線損傷的光裂合酶修復A形成嘧啶二聚體B光復合酶結(jié)合于損傷部位C修復后酶被釋放切除修復堿基丟失堿基缺陷或錯配結(jié)構(gòu)缺陷切開核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA連接酶AP核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切開切除修復連接糖苷酶插入酶堿基取代DNA的重組修復胸腺嘧啶二聚體復制核酸酶及重組蛋白修復復制DNA聚合酶DNA連接酶重組SOS反應的機制靶基因表達lexA靶基因表達

但產(chǎn)物被分解recA大量表達RecA促使分解LexA未誘導的細胞誘導的細胞靶基因lexA基因被LexA

蛋白質(zhì)部分阻遏recA基因被LexA

蛋白質(zhì)部分阻遏（40個不同的位點被阻遏）LexA(阻遏物)

RecA(輔蛋白酶)單鏈